После некоторых эквивалентных преобразований у меня получилось примерно следующее
Что нужно делать дальше?
Знак, естественно, неправильный, ну да неважно (хотя по соображениям корректности и существенно). Дальше просто посмотреть, когда второе слагаемое забивает первое, а когда нет.
здесь непонятно, как применять эквивалентность, ведь к бесконечности стремится
Ну для начала -- замените арктангенс на бесконечности его главным членом и посмотрите, что и когда будет. Потом уже можно будет разбираться с тем, какой вклад вносят поправки.